超高性能钢纤维增强混凝土腐蚀损伤的CT观察

韩建军 苗壮 赵道松 朱晨辉

摘 要：【目的】为探究混凝土因钢纤维腐蚀引发的损伤行为，采用X射线计算机断层扫描技术对UHPSFRC试样的通电加速腐蚀过程进行无损测试。【方法】通过高分辨率的三维重建，对试样腐蚀损伤过程及分布特征进行可视化表征与定量分析。【结果】结果表明：钢纤维腐蚀造成UHPSFRC混凝土保护层发生由外到内的腐蚀损伤。随着通电时间的增加，钢纤维腐蚀速率加快，初始损伤区域的损伤程度加重。【结论】研究认为，X-CT可以作为研究钢纤维腐蚀及腐蚀诱导混凝土保护层损伤的有力工具，且具有较高的适用度与准确性。

关键词：超高性能钢纤维增强混凝土；钢纤维；X射线计算机断层扫描；腐蚀损伤

中图分类号：TU528.572              文献标志码：A               文章编号：1003-5168（2023）06-0062-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.012

CT Observation of Corrosion Damage in Ultra-High Performance Steel Fiber Reinforced Concrete

HAN Jianjun1 MIAO Zhuang1 ZHAO Daosong1 ZHU Chenhui2

（1. School of Civil Engineering， Henan University of Technology， Zhengzhou 450001，China; 2. School of Architecture， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046，China）

Abstract： [Purposes] To investigate the damage behavior of concrete caused by corrosion of steel fibers， the electrically accelerated corrosion process of the UHPSFRC specimen was non-destructively tested by X-ray computed tomography. [Methods] Visual characterization and quantitative analysis of the corrosion damage process and distribution characteristics of the specimen were conducted through high-resolution 3D reconstruction. [Findings] The results show that thecorrosion of steel fibers leads to corrosion damage from the outside to the inside of the UHPSFRC concrete cover. With the increase of energization time， the corrosion rate of steel fiber accelerates， and the degree of damage in the initial damage area increases. [Conclusions] The study concluded that X-CT can be used as a powerful tool to study steel fiber corrosion and corrosion-induced damage ofconcrete cover， and has a high degree of applicability and accuracy.

Keywords： ultra-high performance steel fiber reinforced concrete; steel fiber; X-ray computed tomography; corrosion damage

0 引言

海洋和島屿覆盖广阔的空间，蕴藏着极为丰富的资源，海岸建设和大跨度的海洋工程已成为各国重要的研究课题。然而，普通混凝土在恶劣的海洋环境中，存在钢筋锈蚀、保护层开裂等问题，对海洋工程结构的安全性及服役能力造成了巨大威胁。由于具有优越的力学性能、极低的离子渗透率及自我修复等优势［1］，超高性能钢纤维增强混凝土（UHPSFRC）逐渐替代普通混凝土成为海洋工程建设的重要材料［2］。

然而，UHPSFRC中较高的钢纤维含量却为海洋工程的耐久性埋下了隐患［3］。这是由于钢纤维可以显著降低UHPSFRC的基体电阻，增大氯离子扩散系数与渗透深度，导致外部侵蚀介质更容易穿透混凝土保护层，给UHPSFRC的耐久性带来不利影响。

为了解决这些问题，需要深入剖析UHPSFRC的腐蚀损伤过程并实时采集钢纤维的腐蚀参数。然而，采用传统的测试方法，例如称重法［4］和3D扫描法［5］获取钢纤维的腐蚀参数是非常困难的。这些方法需要把混凝土试样破坏后才能进行，既无法实现对同一试样的连续测试，也不可避免地造成试样中钢纤维的损伤。近十年来，X射线计算机断层扫描技术（X-CT）经历了长足发展。如今，已在材料科学、工程探伤、生物学等领域中得到普遍应用。相较于传统的微观结构测试，X-CT具有无损检测和重建物质3D结构的独特优势［6］。因此，众多学者利用X-CT研究混凝土各组分在外界物理或化学作用下的劣化过程、表征水泥基材料的微观结构。例如，郑帆等［7］利用X-CT对砂浆内钢筋的锈蚀过程进行跟踪测试，发现在通电初期，由于钢筋较高的锈蚀电位，钢筋锈蚀速率显著低于Faraday定律估计的理论值。由此可见，X-CT已成为可视化表征及定量分析混凝土结构劣化、钢筋腐蚀、水分吸收等过程的有效工具，也有希望应用于钢纤维腐蚀的研究中。

本研究主要采用X-CT无损检测技术，通过高分辨率的三维重建，图像化、数量化表征UHPSFRC试样腐蚀损伤的演化发展，探讨了试样损伤分布特征及X-CT测试的准确性。以期为研究钢纤维腐蚀提供了一条新的途径。

1 材料与方法

1.1 原材料与UHPSFRC配合比

选用P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥、硅灰及粉煤灰作为生产UHPSFRC的胶凝材料。选用两种不同粒径的天然河砂（0～0.6 mm和0.6～1.18 mm）作为细骨料、聚羧酸系高效减水剂作为外加剂；钢纤维采用平直型镀铜微丝钢纤维，长度为12～14 mm，直径为0.18～0.23 mm，抗拉强度>2 850 MPa UHPSFRC的配合比如表1所示，钢纤维含量为试样体积分数的3%。

1.2 试样制备

由于过大尺寸的试样将导致X射线难以穿透，降低CT图像的分辨率与清晰度。结合多次预试验结果，采用边长为30 mm的UHPSFRC立方体作为通电加速腐蚀试样。在试样中心嵌入直径8 mm的钢筋，嵌入深度为25 mm。在浇筑完成后，将试样静置于实验室中固化24 h后拆模。随后，移入标准养护室（温度20±2 ℃，湿度≥95%）至28 d取出。

1.3 通电加速腐蚀试验

采用外加电流的方法获取UHPSFRC腐蚀试样，通电加速腐蚀装置如图1所示。设置直流电源的输出电流恒定為30 mA，并以18.5 h的间隔进行3次通电，在试验开始前及每次通电结束后对UHPSFRC试样进行X-CT测试。

1.4 X-CT测试

采用高分辨率工业CT仪AX2000进行X-CT测试，工作原理如图2所示。本次CT扫描的参数设置为：射线源电压160 kV，电流250 μA，曝光时间1 000 ms。经扫描，共获取3 072×3 072像素的1 440张二维切片，像素大小为16.85 μm。

为获取目标材料的体积量，采用数学形态学对重建图像进行分析，根据式（1）可以得到目标材料的体积。

式中：[VXCT]为目标材料的体积；[NVOX]为目标材料所含体素的数量；[ZVOX]为图像的体素大小，为16.85 μm3。因此，目标材料的质量m可按公式（2）计算。

式中：[ρ]为目标材料的密度，钢筋与钢纤维的密度为7.85 g/cm3。

2 结果与讨论

2.1 试样腐蚀损伤的二维图像分析

UHPSFRC试样在不同通电时间后的二维切片如图3所示。可以看到，3%钢纤维掺量的UHPSFRC试样具有明显的初始缺陷。在通电18.5 h后，混凝土保护层外围区域出现局部剥落的现象；在通电37 h后，原剥落区域剥落面积增大，且钢筋出现腐蚀迹象；在通电55.5 h后，保护层剥落程度进一步加深，靠近剥落区域的钢筋明显缺失，且试样内部出现较大的空隙。此外，随着通电时间的增加，保护层剥落区域周围的钢纤维数目显著减少。

在通电过程中，由于钢纤维发生腐蚀转化为密度较低的腐蚀产物，导致可观测到的钢纤维数量减少。而腐蚀产物体积大于钢体积，因体积膨胀产生的膨胀应力造成混凝土保护层发生剥落。同时，保护层的损伤又将加剧外部水分、离子对损伤区域中钢纤维的侵蚀。因此，初始损伤区域的损伤程度不断增大，保护层对外部侵蚀介质的抵御能力逐渐降低，从而导致内部钢筋腐蚀。

由此可见，钢纤维腐蚀是造成UHPSFRC混凝土保护层损伤的主要原因。值得注意的是，不同于普通混凝土中钢筋腐蚀引发的开裂破坏，UHPSFRC的腐蚀损伤是由外向内发展的，且会造成混凝土保护层的大面积剥落及对初始损伤区域的加重破坏。

2.2 试样腐蚀损伤的三维图像与定量分析

在Avizo软件中，采用灰度分割法对UHPSFRC试样中的钢纤维与水泥基体进行提取。通过三维重建，获取了它们在不同通电时间后的三维图像。

钢纤维、水泥基体在不同通电时间后的体积与相对体积如图4所示。可以看到，随着通电时间增加，钢纤维与水泥基体的相对体积不断减小，通电结束时的相对体积为59.81%和93.96%。钢纤维在不同通电时间的相对体积减小率分别10.12%、15.28%和21.46%，钢纤维的体积损失速率呈增大趋势。这是由于混凝土保护层损伤程度的增大导致更多的钢纤维遭受侵蚀，钢纤维腐蚀速率加快。在钢纤维初始密度较大的区域，容易通过更多的电流，从而导致该区域钢纤维腐蚀程度的加深及水泥基体的大面积剥落。

2.3 试样损伤分布特征

通电结束后，对钢筋与水泥基体在不同切片中（位于试样高度方向）的体素数目进行计算，以揭示试样的损伤分布特征，结果如图5所示。同时，根据切片的次序将试样在高度方向上划分为a～c三个区域，其中0号切片位于试样最顶部，以此类推。

可以看到，在a区域中，钢筋与水泥基体的体素数目均显著低于其他区域，且钢筋体素数目随水泥基体体素数目的增大而增大。这说明a区域是试样腐蚀损伤最严重的区域，且钢筋腐蚀程度与水泥基体的损伤有一定的正相关性。在b区域中，钢筋的体素数目变化平稳，而水泥基体的体素数目逐渐增大。这说明该区域的钢筋在高度方向的腐蚀程度较为平均，而水泥基体的损伤程度逐渐减小。在c区域中，钢筋与水泥基体的体素数目均高于其他区域，该区域基本不发生水泥基体损伤与钢筋腐蚀。由此可见，采用X-CT技术对目标材料进行图像化、数量化的分析，可以有效探究UHPSFRC试样腐蚀损伤的分布特征。

2.4 X-CT准确性分析

通电结束后，对混凝土试样进行破型，取出腐蚀的钢筋与钢纤维，并用磁铁收集钢纤维碎粒。之后，采用称重法对钢筋与钢纤维进行质量测定，具体步骤参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009）的规定进行。

将称重法得到的质量与X-CT测试所得的质量进行对比，结果如图6所示。可以看到，两种测试所得的钢筋与钢纤维质量较为接近，偏差分别为0.92 g与0.48 g。称重法所得质量均低于X-CT测试，这可能是由于称重法的测试结果更容易受到人为、环境等因素的干扰，例如取样过程中对钢筋的损伤、酸洗时间的控制等。

3 结论

①通过X-CT技术可实现对UHPSFRC腐蚀损伤过程的可视化表征及定量分析，从而准确高效地得到UHPSFRC腐蚀损伤的演化规律及分布特征。同时，也是研究钢纤维腐蚀的一条新途径。

②钢纤维腐蚀将导致UHPSFRC的混凝土保护层发生由外到内的腐蚀损伤，且初始损伤区域成为UHPSFRC的重点腐蚀区域。

③随着通电时间增加，UHPSFRC试样的腐蚀损伤程度逐渐加深，钢纤维腐蚀速率加快。在通电结束时，钢纤维与水泥基体的体积仅为初始体积的59.81%与93.96%。

④X-CT测试结果与称重法测试结果较为接近，但由于人为、环境等因素的干扰，称重法的测试结果低于X-CT测试。

参考文献：

［1］GUO J Y，WANG J Y，WU K. Effects of self-healing on tensile behavior and air permeability of high strain hardening UHPC［J］. Construction and Building Materials， 2019， 204：342-356.

［2］CHEN Y X，YU R，WANG X P， et al. Evaluation and optimization of Ultra-High Performance Concrete （UHPC） subjected to harsh ocean environment： towards an application of Layered Double Hydroxides （LDHs）［J］. Construction and Building Materials， 2018， 177：51-62.

［3］SONG Q L，YU R，SHUI Z H， et al. Steel fibre content and interconnection induced electrochemical corrosion of Ultra-

High Performance Fibre Reinforced Concrete （UHPFRC）［J］. Cement and Concrete Composites， 2018， 94：191-200.

［4］RAOUL F，INAMULLAH K，VU H D. Impact of corrosion on mechanical properties of steel embedded in 27-year-old corroded reinforced concrete beams［J］. Materials and Structures， 2013， 46（6）：899-910.

［5］李亚辉，郑山锁，董立国，等.非均匀锈蚀钢筋拉伸性能试验与模拟［J］.建筑材料学报，2022，25（9）：991-998.

［6］王耀城，楊文根，李周义，等. 利用XCT技术检测水泥基材料微观结构的研究进展［J］. 材料导报， 2019， 33（17）： 2902-2909.

［7］郑帆，史桂昀，董必钦，等. 钢筋混凝土通电加速锈蚀行为可视化表征［J］. 硅酸盐学报， 2018， 46（8）：1081-1086.